碳基材料的三维模型构建及其与有机污染物相互作用的描述

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    41907322
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    D0711.污染物环境行为与效应
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2019
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Understanding the interactions between organic pollutants and carbon-based particles is essential to predict the environmental behavior and potential health risk of organic contaminants in the environment. The theoretical calculations provide a powerful tool to reveal their interaction mechanisms. However, the traditional modeling concepts did not consider the three-dimensional structures of the carbon-based materials, which restricts the in-depth understanding of the sorption/desorption hysteresis and sequestration of organic pollutants. Therefore, this project intends to construct three-dimensional structures for several typical carbon-based materials (activated carbon, biochar, carbon black and humus). Based on the all-atom models or all-atomized micelle clusters, these three-dimensional structures will be constructed through changing the pore size, building the hollow pathway and modifying the interface after functional group manipulations and dynamic relaxation. Based on the constructed model, the interaction mechanism between these carbon-based materials and organic pollutants will be studied by simulating systematically, the thermodynamic and kinetic parameters, adsorption energy, and electronic transfer direction will be acquired. At the same time, the experimental parameters related to adsorption capacity, kinetics, and diffusion rate will be obtained through the specially-designed adsorption studies. The model-calculation and experimental results will be combined to identify and quantify the contribution of the individual adsorption mechanisms. This proposed research will break through the limitation of the traditional two-dimensional modeling concept. The proposed three-dimensional structural models will greatly benefit the research on the mechanism of adsorption and retaining organic contaminants by carbon-based materials. The outcome of this research can shed light on the mechanism of nonideal behavior of organic contaminants and thus guide the development of techniques for the effective control of organic pollution, for the eventual goal of ensuring human health and ecological safety.
有机污染物与碳基颗粒间的相互作用是影响其行为和风险的关键因素,理论计算的引入虽然为相关领域的研究提供了强有力的工具,但是传统理论计算缺少对碳基材料三维结构的描述,制约了对有机污染物解吸滞后、锁定/残留的深入理解。本项目拟以几类典型碳基材料(活性炭、生物炭、炭黑和腐殖质)为模型物质,在构建全原子模型或者全原子胶束团簇的基础上,挖空构建孔道、官能团修饰和动力学弛豫,构建碳基材料三维结构,系统模拟这些碳基材料与有机污染物之间的相互作用热力学和动力学参数,以及能量和电子转移等信息;在靶向性的吸附实验中,获取吸附容量、动力学和扩散速率、解吸滞后等参数,结合模型计算结果,识别并定量有机污染物吸附中各作用机制的贡献。本研究突破传统的平面微区吸附研究,立足于三维结构,从宏观和微观角度解析碳基材料吸附固定有机污染物的机制。项目研究成果可指导高效有机物污染治理策略的形成,进而保障人体健康和生态安全。

结项摘要

有机污染物与碳基颗粒间的相互作用是影响其行为和风险的关键因素,理论计算的引入虽然为相关领域的研究提供了强有力的工具,但是传统理论计算缺少对碳基材料三维结构的描述,制约了对有机污染物解吸滞后、锁定/残留的深入理解。本项目以几类典型碳基材料(活性炭、生物炭、炭黑和腐殖质)为模型物质,在构建全原子模型或者全原子胶束团簇的基础上,挖空构建孔道、官能团修饰和动力学弛豫,构建碳基材料三维结构,系统模拟这些碳基材料与有机污染物之间的相互作用热力学和动力学参数,以及能量和电子转移等信息;在靶向性的吸附实验中,获取吸附容量、动力学和扩散速率、解吸滞后等参数,结合模型计算结果,识别并定量有机污染物吸附中各作用机制的贡献。结果发现:(1)碳基材料二维结构特性和有机污染物的电子云密度和构型在吸附中起着关键作用,竞争吸附中竞争强度取决于吸附能和吸附位点的重叠;(2)碳基材料的自相互作用及孔隙都是影响吸附能力的重要因素,土壤NOM三维聚集体的形成及解体决定了对有机污染物的包裹和释放;(3)碳基材料的结构性质(氧化还原电势、持久性自由基、过渡金属及官能团种类)主导了对有机污染物的吸附和降解。本研究突破传统的平面微区吸附研究,立足于三维结构,从宏观和微观角度解析碳基材料吸附固定有机污染物的机制。项目研究成果可指导高效有机物污染治理策略的形成,进而保障人体健康和生态安全。

项目成果

期刊论文数量(12)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(12)
Effects of extracellular enzymes secreted by wild edible fungi mycelia on the surface properties of local soil colloids
野生食用菌菌丝体分泌的胞外酶对当地土壤胶体表面性质的影响
  • DOI:
    10.1080/09593330.2022.2071639
  • 发表时间:
    2022-04
  • 期刊:
    Environmental Technology
  • 影响因子:
    2.8
  • 作者:
    Lijuan Cha;Hongjuan Feng;Min Wu;Jing Xing;Jing Li;Quan Chen
  • 通讯作者:
    Quan Chen
Biochar mitigates allelopathy through regulating allelochemical generation from plants and accumulation in soil
生物炭通过调节植物化感化学的产生和土壤中的积累来减轻化感作用
  • DOI:
    10.1007/s44246-022-00003-7
  • 发表时间:
    2022-01-01
  • 期刊:
    Carbon Res.
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Chen, Q.;Lan, P.Y.;Xing, B.S.
  • 通讯作者:
    Xing, B.S.
Inter-molecular interactions of phthalic acid esters and multi-stage sorption revealed by experimental investigations and computation simulations
通过实验研究和计算模拟揭示邻苯二甲酸酯的分子间相互作用和多级吸附
  • DOI:
    10.1016/j.cej.2021.134018
  • 发表时间:
    2022-03
  • 期刊:
    Chemical Engineering Journal
  • 影响因子:
    15.1
  • 作者:
    Zuo Xiangzhi;Yi Peng;Chen Quan;Wu Min;Zhang Lijuan;Pan Bo;Xing Baoshan
  • 通讯作者:
    Xing Baoshan
The chemical structure characteristics of dissolved black carbon and their binding with phenanthrene
溶解黑碳的化学结构特征及其与菲的结合
  • DOI:
    10.1016/j.chemosphere.2021.132747
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Chemosphere
  • 影响因子:
    8.8
  • 作者:
    Chen Quan;Ma Yongji;Dong Jihong;Kong Ying;Wu Min
  • 通讯作者:
    Wu Min
天然有机质的性质分析及其与土壤矿物和外源污染物相互作用研究进展
  • DOI:
    10.7524/j.issn.0254-6108.2020050603
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    环境化学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    孔颖;左翔之;易鹏;陈全;梁妮
  • 通讯作者:
    梁妮

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  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
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    罗小兵
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
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陈全的其他基金

有机污染物分子团簇的稳定机制及其环境效应
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    2022
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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